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抽水试验在长沙某地铁车站勘察中的应用
发布日期:2017-10-27 19:09
抽水试验在长沙某地铁车站勘察中的应用
 
要:通过介绍抽水试验基本原理,结合长沙轨道交通 1 号线某车站施工实例,对地铁影响深度范围内的含水层进行了抽水试验,确定了含水层的水文地质参数,为车站设计的降水工程提供设计依据与研究基础。
关键词:抽水试验,地铁,渗透系数
 
0 引言
      地下水对地铁建设的影响可能引发地铁开挖过程中涌水出现的问题,还可能引发对周边环境产生的一系列问题。在地铁建设工程中,土的渗透系数是确定地铁设计施工抽降水的一个重要参数,是确定降水方案的关键。在地铁车站、区间段的每一地质单元各选择一定数量钻孔,进行水文地质试验。在各主要含水层分层进行水文试验,提供岩土渗透系数,预测地铁隧道和基坑涌水量。
      目前,确定土的渗透系数的方法主要有室内试验测定法和现场抽水试验法。室内试验法是确定渗透系数的最基本方法,但是由于取样扰动及尺度效应,造成试验结果误差较大。野外测定法主要有抽水试验、注水试验和压水试验,野外测定相对室内试验测定能取得准确的渗透系数。
 
 
1 抽水试验原理
      抽水试验是从钻孔中抽水并根据其出水量( Q) 与降深( s) 的关系,确定含水层渗透性及了解相关水文地质条件的一种原位试验方法。抽水试验包括稳定流抽水试验和非稳定流抽水试验。其中稳定流抽水试验是指抽水过程中,要求出水量和动水位同时相对稳定,并延续一定时间的抽水试验; 非稳定流抽水试验是指抽水过程中,保持出水量固定,观测动水位变化,或保持降深固定,观测出水量变化的抽水试验。承压水及潜水稳定流完整井单孔抽水试验见图 1,图 2。

      在单孔稳定流完整井抽水试验中,承压水和潜水的渗透系数计算公式为:
     

      其中,K 为各向同性岩体渗透系数,m/s; s 为钻孔水位降深,m; Q 为稳定抽水流量,m3/s; M 为承压水或潜水含水层厚度,m; R为抽水影响半径,一般采用经验值,m; r 为钻孔半径,m。
      除了裘布依公式之外,还有巴布什金公式、吉林斯基公式等,分别可以用来求解不同抽水条件下均质岩体的渗透系数。
 
2 抽水试验要求
      对砂砾石透水层进行抽水水文地质试验,评价其富水性、透水性以及对地铁施工及运营的影响。抽水试验采用稳定流抽水试验。
2. 1 一般技术要求
      1) 钻探过程中必须按有关要求进行简易水文地质观测。2)为查明每个含水层( 带) 的静水位、承压水头高度、水质、水量和进行分层评价,在各含水层之间进行严格的止水工作。3) 根据含水层( 带) 颗粒级配情况、风化破碎程度、岩溶发育及充填状况,决定是否安装过滤器。安装过滤器的长度、位置应与含水层相对应,严禁错位。4) 过滤器安装完毕、开始抽水前应进行洗孔。
2. 2 抽水试验要求
      抽水试验前后应准确测量有效孔深,试验孔采用稳定流抽水试验,对多层含水层应进行分层抽水试验,要求一次性钻至设计孔深后,从下至上进行分层抽水。
      1) 如果含水层为基岩,视基岩的破碎程度,决定对含水层部分是否下滤管。2) 洗孔,直到水清、砂净、无沉淀时为止,量取稳定水位。3) 抽水试验的稳定延续抽水时间: 粘性土为 24 h,砂类土 16 h,碎石土稳定时间 8 h。若为非稳定流抽水试验,其延续时间应符合有关规定。4) 流量稳定标准,为在涌水量无连续增大或变小的区间内,各次流量的最大差值与平均流量值之比不得大于3% 。水位稳定标准为在抽水试验稳定延续时间内,水位无持续上升或下降趋势; 动水位不得大于平均水位降深的 1%。5) 抽水试验结束后取水样。停泵后测量恢复水位。
      当含水层或邻近含水层复杂,地下水补给来源不明或其他问题需要进行长期抽水试验时,其时间可适当延长。在测定水位上升或下降趋势时,应考虑周围有无其他影响因素,注意孔内抽出的水倒流或回渗入孔内。
2. 3 其他技术要求
      1) 合理选择抽水设备和测试仪器,正式抽水前应作一次最大水位降低的试抽,其延续时间一般为 4 h ~8 h,试抽后要正确测定静止水位及孔深,通过试抽确定最大可能水位下降值,初步测定涌水量和水位下降的关系。2) 正式抽水一般进行三次,三次水位降深值最好为抽水前水柱高度的 1/6,2/3,1/2,若抽水设备性能达不到上述要求时,也可根据试抽时最大水位降深 s 来确定,即三次水位降深值分别为 1/3s,2/3s,s。3) 水位、出水量测量时水位波动允许范围: 水泵抽水时: 5 cm; 空压机抽水时: 10 cm ~ 20 cm; 出水量波动范围均不宜超过 3%。4) 抽水试验孔每次水位下降开始后,其动水位和出水量的观测时间,应在第 5 min,10 min,15 min,20 min,25 min,30 min 各测一次,以后每隔 30 min 各测一次。5)每次抽水试验结束后,抽水试验孔应按停泵后的第 1 min,2 min,3 min,4 min,6 min,8 min,10 min,15 min,20 min,25 min,30 min 各测一次恢复水位,以后每隔 30 min 各测一次恢复水位,直到接近或达到静止水位。6) 抽水过程及时绘制水量、水位曲线等综合性图表。当发现曲线反常时应查明原因,及时纠正,必要时重新进行抽水试验。
 
3 工程实例
      为了查明砂砾石层渗透性及富水性,长沙地铁轨道交通 1号线详细勘察某地铁站进行单井抽水试验。该钻孔孔深 35. 50 m,卵石层埋深为 10. 10 ~12. 80,层厚 2. 70 m,静止水位为 6. 20 m。
      1) 绘制出水量、动水位与时间关系过程曲线( Q—t 及 s—t 曲线见图3) 。开始抽水时的 Q—t 及 s—t 曲线表现为水位下降较快和出水量较大,且不稳定。经过一段时间后趋于稳定,且这两条曲线基本是平行的。如果现场发现 Q,s 值不是相应的变化,要及时检查分析和处理。

      2) 绘制出水量与水位降深关系曲线( Q = f( s) 曲线见图 4) ,用于了解和判别含水层的水力性质和出水能力,推算井的可能最大涌水量与单位涌水量,并检查抽水试验成果的正确性。根据统计数据,Q,s 关系呈直线型。

      进行了三个落程抽水,分别为: 降深 s1= 1. 72 m 时,涌水量Q1= 178 m /d; 降深 s2= 3. 45 m 时,涌水量 Q2= 339 m /d; 降深 s3=5. 23 m 时,涌水量 Q3= 515 m /d。利用式( 1) ,式( 2) 计算渗透系数 k =57. 19 m/d,影响半径 R =301 m。
 
4 结语
      1) 在含水层较深或坚硬岩区,钻进施工困难,成本费用较高,采用单井抽水试验,以节省成本费用。
      2) 抽水过程严格按照技术要求进行,及时绘制水量、水位曲线等综合性图表。当发现曲线反常时应查明原因,及时纠正,必要时重新进行抽水试验。
      3) 单井抽水试验不能直接采用裘布依公式计算渗透系数 k,而需结合其他公式( 吉哈尔特或库萨金公式) ,概略计算。
 
参考文献:
[1] SL 320-2005,水利水电工程钻孔试验规程[S].
[2] TB 10049-2004,铁路工程水文地质勘察规程[S].
[3] GB 50307-1999,地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范[S].

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